[發(fā)明專利]一種基于加權(quán)最小二乘法的在線反饋手眼標定方法

有效

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• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111203881B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張小俊;杜珊;呂曉玲;趙愛迪
• 申請（專利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 天津翰林知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12210
• 代理人: 付長杰

本發(fā)明為一種基于加權(quán)最小二乘法的在線反饋手眼標定方法，該方法的步驟是：在線獲取標定信息部分通過自動分析確定標定板方位，引導(dǎo)機械臂運動提取手眼標定的標定信息；然后通過Parzen窗估計對兩步法手眼標定進行加權(quán)，并利用最小二乘法求解；最后對標定結(jié)果進行誤差計算，依據(jù)重建距離誤差，準確的判斷標定結(jié)果是否滿足標定精度，如果不滿足精度，則返回繼續(xù)在線獲取標定信息，直到得到滿足精度的標定結(jié)果。該方法能自動采集標定信息，減小人工干預(yù)對標定結(jié)果的影響，通過在線反饋得到精確可靠的手眼標定結(jié)果，提高了手眼標定的精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機器人手眼標定技術(shù)領(lǐng)域，特別地涉及一種基于加權(quán)最小二乘法的在線反饋手眼標定方法。

背景技術(shù)

機器人與機器視覺在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在電子行業(yè)對機器人的精度和速度提出了更高的要求。手眼標定作為視覺機器人的基礎(chǔ)，其精確性決定了整個視覺機器人系統(tǒng)的精度。在線手眼標定即在線估計機器人的末端執(zhí)行器或抓手相對于安裝在其上的相機的相對位置和方向關(guān)系，對于相機固定在機器人末端(eye-in-hand)的系統(tǒng)現(xiàn)有的規(guī)劃機械臂運動范圍獲取標定板信息的方法并不適用。

傳統(tǒng)的標定方法是通過求解齊次變換方程AX＝XB來得到手眼關(guān)系，其中A代表機器人末端的運動，B代表相機的運動，X為所求的攝像機與機械臂末端的空間變換關(guān)系，如圖1所示。目前常用的標定方法主要分為兩步法和同時求解法，Tsai-Lenz方法是經(jīng)典的兩步求解法，將矩陣解耦并用旋轉(zhuǎn)和平移表示，先求旋轉(zhuǎn)，再根據(jù)旋轉(zhuǎn)的結(jié)果求解平移，推導(dǎo)過程簡單，計算效率高，但其旋轉(zhuǎn)矩陣結(jié)果的誤差較大，標定信息的采集會影響標定結(jié)果的精度。同時求解方法的精度相對較高，但非線性的求解非常耗時，更不適用于在線的標定。所以隨著手眼校準問題的擴展仍需要提高手眼標定準確性與實時性。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種在線反饋手眼標定方法，自動采集標定信息，減小人工干預(yù)對標定結(jié)果的影響。并采取加權(quán)最小二乘法的求解，通過在線反饋得到精確可靠的手眼標定結(jié)果，提高了手眼標定的精度。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，一種相機固定在機器人末端(eye-in-hand)系統(tǒng)的基于加權(quán)最小二乘法的在線反饋手眼標定方法。手眼標定即估計機器人的末端執(zhí)行器或抓手相對于安裝在其上的相機的相對位置和方向關(guān)系。

在線獲取標定信息部分，就是通過自動分析確定標定板方位，引導(dǎo)機械臂運動提取更利于進行手眼標定的標定信息。然后通過Parzen窗估計對兩步法手眼標定進行加權(quán)，并利用最小二乘法求解，在不增加計算復(fù)雜的前提下，有效降低了噪聲對標定精度的影響。最后對標定結(jié)果進行誤差計算，依據(jù)重建距離誤差，準確的判斷標定結(jié)果是否滿足標定精度，如果不滿足精度，則返回繼續(xù)獲取標定信息，直到得到滿足精度的標定結(jié)果。該算法減小了人工干預(yù)對標定結(jié)果的影響，減小了噪聲的影響，并通過在線反饋提高了標定的精度。

該方法所使用的硬件結(jié)構(gòu)包括視覺系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)、黑白棋盤格的標定板，其中視覺系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機、鏡頭、光源等。機器人包括機器人本體(包括機械臂)、機器人控制柜、上位機等，其中相機固定在機器人末端執(zhí)行器部位；上位機內(nèi)加載有標定板方位判定模塊、標定計算模塊、誤差計算模塊和在線反饋模塊；機器人通過控制相機運動實時獲取標定板圖像，標定板方位判定模塊對獲取的標定板圖像進行分析，相機拍攝到準確有效的標定板圖像后，再根據(jù)機器人的運動參數(shù)得到標定所需的圖像位姿與機器人位姿數(shù)據(jù)，通過標定計算模塊求解手眼標定方程的解；誤差計算模塊根據(jù)所求結(jié)果計算誤差，判斷是否需要進一步的標定，滿足精度要求時直接輸出標定結(jié)果；不滿足精度時通過在線反饋模塊將信息反饋到在線獲取標定信息部分，繼續(xù)采集標定信息。

所述誤差計算模塊，在標定結(jié)果中用不同位置棋盤格點的平均歐幾里德距離表示重建距離誤差e_d，重建距離誤差的公式為式(1)：